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        不可逆鋁冷軋機(jī)自動(dòng)停車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

        2014-05-11 03:10:06張宏展毛永志
        制造業(yè)自動(dòng)化 2014年10期
        關(guān)鍵詞:冷軋機(jī)板形帶材

        樊 銳,張宏展,毛永志

        (1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司,河北 072750;2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所,北京 100120)

        不可逆鋁冷軋機(jī)自動(dòng)停車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

        樊 銳1,張宏展2,毛永志2

        (1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司,河北 072750;2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所,北京 100120)

        0 引言

        不可逆鋁冷軋機(jī)是鋁加工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),該過(guò)程將鋁熱軋機(jī)或鋁鑄軋機(jī)生產(chǎn)的厚帶材鋁卷經(jīng)過(guò)幾個(gè)道次的軋制,對(duì)帶材的板形和厚度進(jìn)行精確控制,生產(chǎn)出符合用戶要求的相關(guān)規(guī)格薄帶材鋁卷,提供給鋁箔粗軋機(jī)或厚剪機(jī)等設(shè)備,以對(duì)鋁材進(jìn)行進(jìn)一步精加工。

        不可逆鋁冷軋機(jī)來(lái)料尤其是開坯料的料頭和料尾通常板形較差、厚差較大,在軋制時(shí)不易控制帶材的板形和厚度,容易造成斷帶甚至損壞設(shè)備,為了軋制出合格的產(chǎn)品以及保護(hù)設(shè)備,需要去除來(lái)料的料頭和料尾。來(lái)料的料頭可以在軋制開始前切除,料尾則需要在軋制過(guò)程中及時(shí)停車以便切除,即通常所說(shuō)的甩尾,這時(shí)候就需要準(zhǔn)確判斷停車時(shí)機(jī),使設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中能夠自動(dòng)減速停車,根據(jù)生產(chǎn)需要剩余下質(zhì)量不好的料尾,避免剩余卷材過(guò)多降低生產(chǎn)效率、造成浪費(fèi)或剩余卷材過(guò)少甚至尾料全部沖過(guò)軋機(jī)造成設(shè)備損壞甚至起火等事故。

        1 自動(dòng)停車部分的設(shè)備基本組成及其工作原理

        不可逆鋁冷軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        機(jī)列工作過(guò)程描述:將要軋制的鋁卷來(lái)料經(jīng)過(guò)開卷機(jī)開卷,經(jīng)由入側(cè)偏導(dǎo)輥、入側(cè)張緊輥組的導(dǎo)向和展平,通過(guò)工作輥進(jìn)行軋制,在軋制中通過(guò)板形和厚度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制帶材的板形和厚度,以成為符合相關(guān)規(guī)格的鋁材,再經(jīng)過(guò)出側(cè)包角輥后,到達(dá)卷取機(jī)上卷取,從而生產(chǎn)出符合用戶要求的鋁卷。

        1.1 不可逆鋁冷軋機(jī)的設(shè)備基本組成

        1)開卷機(jī):用于對(duì)鋁卷來(lái)料進(jìn)行開卷,及對(duì)開卷進(jìn)行張力控制等。

        2)開卷激光卷徑測(cè)量:該激光測(cè)距裝置安裝在開卷機(jī)與主機(jī)之間的入側(cè)裝置上,利用激光測(cè)得的距離計(jì)算得到開卷卷材的卷徑大小,用于開卷張力控制和開卷自動(dòng)減速停車等。

        圖1 不可逆鋁冷軋機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

        3)入側(cè)偏導(dǎo)輥:主要對(duì)帶材起導(dǎo)向作用。

        4)入側(cè)張緊輥組:主要對(duì)帶材起導(dǎo)向和展平作用。

        5)主機(jī)部分:主機(jī)部分是軋機(jī)的主體,主要由支承輥、工作輥、壓上缸、噴桿梁和牌坊等組成,用于對(duì)帶材進(jìn)行軋制,控制軋機(jī)的軋制速度,并根據(jù)板形控制系統(tǒng)和厚度控制系統(tǒng)發(fā)出的指令對(duì)帶材的板形和厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (1)上支承輥:用于支撐工作輥。

        (2)上工作輥:與下工作輥一起用于軋制帶材。

        (3)下工作輥:與上工作輥一起用于軋制帶材。

        (4)下支承輥:用于支撐工作輥。

        (5)噴桿梁:用于冷卻和潤(rùn)滑工作輥,通過(guò)噴淋改變輥形進(jìn)而調(diào)節(jié)帶材板形。

        (6)壓上缸:用于調(diào)節(jié)軋制力,通過(guò)改變軋制力或輥縫大小對(duì)帶材厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (7)牌坊:用于安裝主機(jī)部分的各種設(shè)備。

        6)出口測(cè)厚儀:用于檢測(cè)軋機(jī)出口帶材厚度,屬于軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)的一部分,反饋的信號(hào)參與厚度自動(dòng)控制。

        7)板形輥:用于檢測(cè)軋機(jī)出口帶材板形,屬于軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的一部分,檢測(cè)的結(jié)果用于對(duì)板形的自動(dòng)控制。

        8)包角輥:用于使帶材對(duì)板型輥形成固定包角。

        9)卷取激光卷徑測(cè)量:該激光測(cè)距裝置安裝在卷取機(jī)與主機(jī)之間的出側(cè)裝置上,工作原理與開卷激光卷徑測(cè)量一樣,用于卷取張力控制。

        10)卷取機(jī):用于對(duì)軋制完畢的鋁材進(jìn)行卷取,及對(duì)卷取進(jìn)行張力控制等。

        1.2 開卷卷徑測(cè)量裝置的基本組成及工作原理

        開卷卷徑測(cè)量裝置主要由激光測(cè)距裝置組成,檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)計(jì)算得到開卷卷材的直徑,用于開卷張力控制和開卷自動(dòng)減速停車等,其結(jié)構(gòu)如圖2中所示。

        1)開卷機(jī)上的卷材。

        2)激光測(cè)距儀:1.1中已經(jīng)提到過(guò)此裝置,激光測(cè)距儀在安裝時(shí)要對(duì)準(zhǔn)開卷卷材中心,以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確。

        其中D為開卷卷材直徑,D0為開卷卷材套筒的直徑,L0為激光測(cè)距儀到開卷卷材套筒的距離,L為激光測(cè)距儀到開卷卷材的距離。D0為已知的套筒直徑,L0在調(diào)試過(guò)程中已經(jīng)測(cè)出,通過(guò)檢測(cè)激光測(cè)距儀到鋁卷的實(shí)時(shí)距離L,計(jì)算得到開卷卷材的卷徑大小D=2(L0-L)+D0。

        2 不可逆鋁冷軋機(jī)自動(dòng)減速停車功能實(shí)現(xiàn)的原理

        圖2 開卷卷材卷徑測(cè)量裝置示意圖

        軋機(jī)自動(dòng)減速停車的過(guò)程是:首先,操作人員對(duì)需要甩尾的殘料進(jìn)行設(shè)定(如設(shè)定殘料的卷徑或壁厚等),激活“自動(dòng)減速停車”使能按鈕。然后,通過(guò)程序判斷開卷卷材何時(shí)到達(dá)相關(guān)設(shè)定,軋機(jī)自動(dòng)切換到“穿帶”模式,開始降速。隨后,軋機(jī)進(jìn)入自動(dòng)勻減速階段,在此過(guò)程中操作人員可以手動(dòng)切換軋機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式,此時(shí)自動(dòng)減速停車模式自動(dòng)終止;如不中止自動(dòng)模式,則軋機(jī)持續(xù)降速。最后,軋機(jī)達(dá)到穿帶速度(10~30m/min可調(diào)),此時(shí)若無(wú)其他操作,則軋機(jī)自動(dòng)切換到“停止”模式直至軋機(jī)停止,軋機(jī)自動(dòng)減速停車結(jié)束,軋機(jī)自動(dòng)減速停車功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是判斷軋機(jī)何時(shí)開始減速停車。

        2.1 軋機(jī)減速過(guò)程中帶材行走的長(zhǎng)度

        首先,我們需要知道軋機(jī)從開始減速停車到完全停止下來(lái)的過(guò)程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長(zhǎng)度。當(dāng)軋機(jī)減速時(shí)不進(jìn)行其他操作則此減速過(guò)程是勻減速,示意圖如圖3所示。

        圖3 不可逆鋁冷軋機(jī)減速過(guò)程示意圖

        根據(jù)公式有:

        其中L為鋁帶材行走的長(zhǎng)度,Vt為開始減速停車時(shí)刻的開卷機(jī)線速度,Vt1為開始減速停車時(shí)刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時(shí)間(tmax=tmax1),Δt為軋機(jī)從當(dāng)前速度減速到停止所需要的時(shí)間。

        式(2)代入式(1)可以計(jì)算出軋機(jī)勻減速過(guò)程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長(zhǎng)度,即軋機(jī)開始自動(dòng)減速停車后到軋機(jī)停止時(shí)開卷機(jī)鋁帶材行走的長(zhǎng)度。

        2.2 開卷機(jī)殘料設(shè)定的4種方法及其應(yīng)用分析

        因?yàn)殚_卷機(jī)卷材的直徑是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的,所以只要判斷出在開卷機(jī)卷材直徑達(dá)到多少時(shí)開始減速,在軋機(jī)停下來(lái)時(shí)開卷機(jī)卷材剩余量符合設(shè)定要求即可。為了方便操作人員的操作,我們?cè)O(shè)計(jì)四種對(duì)開卷機(jī)需要甩尾殘料的設(shè)定方法:1)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑(直徑);2)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚;3)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材長(zhǎng)度;4)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材圈數(shù)。下面針對(duì)軋機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)減速停車進(jìn)行分析。

        2.2.1 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑(直徑)

        根據(jù)面積公式,如圖4所示。

        圖4 卷材示意圖

        圖5 帶材展開示意圖

        如果將卷材展開,如圖5所示。

        其中S為面積,R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r為設(shè)定的停車卷材半徑,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,L1為卷材長(zhǎng)度。

        假設(shè)將鋁材展平,考慮到鋁卷材的空隙率,則有:

        其中λ為修正系數(shù)。

        式(4)和式(5)代入式(6)中,可以得到卷材展開后的長(zhǎng)度,也就是從當(dāng)前卷徑到設(shè)定卷徑的卷材展開長(zhǎng)度。

        當(dāng)2.1中式(3)中L與L1相等時(shí)軋機(jī)應(yīng)該開始自動(dòng)減速停車,結(jié)合式(3)和式(7)計(jì)算得到:

        式(8)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料半徑,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時(shí)刻的開卷機(jī)線速度,Vt1為開始減速停車時(shí)刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時(shí)間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.2 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚

        設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料壁厚為Δh,則有剩余卷材半徑:

        結(jié)合2.2.1的推導(dǎo),得到開卷機(jī)卷材從當(dāng)前半徑R到剩余卷材半徑r的剩余帶材總長(zhǎng)度:

        當(dāng)L=L2時(shí)軋機(jī)應(yīng)該開始自動(dòng)減速停車,結(jié)合式(3)和式(10)得到:

        式(11)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,Δh為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料壁厚,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時(shí)刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時(shí)刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時(shí)間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.3 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材的帶材長(zhǎng)度

        根據(jù)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料長(zhǎng)度為L(zhǎng)3,則從自動(dòng)停車開始時(shí)刻開卷卷材的展開長(zhǎng)度為:

        根據(jù)2.2.1的推導(dǎo),可知:

        當(dāng)L=L3時(shí)軋機(jī)應(yīng)該開始自動(dòng)減速停車,即:

        式(13)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,L3為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料帶材長(zhǎng)度,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時(shí)刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時(shí)刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時(shí)間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.4 設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料圈數(shù)時(shí)帶材的剩余長(zhǎng)度

        開卷套筒上每增加1層鋁材,則其卷材半徑會(huì)相應(yīng)增加1層鋁材的厚度,因此當(dāng)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料的剩余圈數(shù)n時(shí),卷材上的帶材長(zhǎng)度可以確定,即:

        其中Ln為設(shè)定卷材殘料圈數(shù)時(shí)帶材的剩余長(zhǎng)度,n為設(shè)定的卷材剩余圈數(shù),r0為開卷套筒半徑,hr為來(lái)料厚度。

        當(dāng)Ly=L+L4時(shí)軋機(jī)應(yīng)該開始自動(dòng)減速停車,結(jié)合式(3)和式(15)得到:

        式(16)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,n為操作人員設(shè)定的卷材剩余圈數(shù),hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時(shí)刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時(shí)刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時(shí)間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.5 開卷機(jī)殘料4種設(shè)定方法的應(yīng)用

        通過(guò)對(duì)上述4種開卷機(jī)殘料的方法進(jìn)行分析,我們可以得知,要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的軋機(jī)自動(dòng)減速停車,我們需要監(jiān)控軋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),準(zhǔn)確獲知諸如主機(jī)速度、開卷機(jī)速度和開卷卷材卷徑等。操作人員需要做的僅是選擇殘料的設(shè)定方式,然后輸入卷材的相關(guān)信息。

        3 自動(dòng)減速停車的實(shí)現(xiàn)

        從電氣控制方面來(lái)講,自動(dòng)減速停車需要電氣硬件組態(tài)和軟件編程兩個(gè)方面來(lái)完成,結(jié)合一個(gè)我們已經(jīng)調(diào)試完成的項(xiàng)目,提供實(shí)現(xiàn)方案如下。

        3.1 硬件組態(tài)

        1)激光測(cè)距儀:如前所訴,要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速停車,我們需要一個(gè)能夠準(zhǔn)確測(cè)量開卷卷材卷徑的裝置,用于提供準(zhǔn)確的開卷卷材直徑。激光測(cè)距儀性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、檢測(cè)精度高,能夠保證卷徑測(cè)量的準(zhǔn)確性。

        圖6 系統(tǒng)配置圖

        2)PLC:選用SIMENS-400系列,具體組態(tài)見(jiàn)圖6。

        3)CPU:選用S7-400,414-3DP,用于完成PLC程序的執(zhí)行,過(guò)程數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

        4)模擬量輸入模板:安裝于PLC遠(yuǎn)程機(jī)架上,用于接收激光測(cè)距儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

        5)傳動(dòng)裝置:用于控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),本例選擇的是ABB直流傳動(dòng)裝置。

        6)編碼器:監(jiān)控電機(jī)速度,同時(shí)用于配合傳動(dòng)裝置控制電機(jī)。

        通過(guò)以上硬件配置,即可滿足自動(dòng)減速停車電氣控制的需要。

        3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

        我們利用SIEMENS Step7 V5.4軟件,通過(guò)對(duì)上述4中自動(dòng)減速停車的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行編程,即可實(shí)現(xiàn)不可逆鋁冷軋機(jī)的自動(dòng)減速停車控制。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        自動(dòng)減速停車是不可逆鋁冷軋機(jī)的一個(gè)重要功能,如何準(zhǔn)確判斷減速停車的時(shí)機(jī),使開卷卷材剩余的殘料正好為設(shè)定值,是自動(dòng)減速停車的關(guān)鍵。此種自動(dòng)停車功能已在我們調(diào)試完成的多臺(tái)設(shè)備上投入使用,同時(shí)此經(jīng)驗(yàn)可推廣到其他鋁加工設(shè)備上使用。生產(chǎn)實(shí)踐證明此功能設(shè)計(jì)合理,操作簡(jiǎn)單方便,系統(tǒng)運(yùn)行良好,提高了生產(chǎn)效率。

        [1]趙剛,楊永利.軋制過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

        [2]丁修堏.軋制過(guò)程自動(dòng)化[M].冶金工業(yè)出版社,2005.

        [3]黃慶學(xué),梁愛(ài)生.高精度軋制技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

        Design and implementation of automatic stopping in irreversible aluminum cold rolling mill

        FAN Rui1, ZHANG Hong-zhan2, MAO Yong-zhi2

        針對(duì)不可逆鋁冷軋機(jī)自動(dòng)停車功能的實(shí)現(xiàn)提出了設(shè)計(jì)方案,闡述其設(shè)計(jì)思想和原理,并針對(duì)4種殘料設(shè)定方法分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,給出實(shí)現(xiàn)其控制的軟硬件配置,為自動(dòng)停車功能的實(shí)現(xiàn)提供了完整的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案。

        自動(dòng)減速停車;不可逆鋁冷軋機(jī);PLC

        樊銳(1980 -),男,工程師,本科,主要從事鋁加工設(shè)備電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。

        TH161

        A

        1009-0134(2014)05(下)-0133-04

        10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).38

        2013-11-25

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